使用Py-GC-MS技术对废弃椰子纤维和聚苯乙烯进行催化共热解：温度和催化剂装载量对热解热蒸汽的影响

《Industrial Crops and Products》：Catalytic co-pyrolysis of waste coconut fibers and polystyrene using Py-GC-MS: Effect of temperatures and catalyst loading on pyrolytic hot vapours

本研究通过Py-GC-MS分析了不同温度（450-650°C）和催化剂负载（10-30 wt% ZSM-5）对椰壳废料（CNS）与聚苯乙烯（PS）催化共热解产物的影响。结果表明，650°C下30% PS与10% ZSM-5的协同作用最佳，生油产率达33%，显著降低酸（14%）和酚类（1%）含量，提高烃类占比（64%）。FTIR和TGA证实CNS热解分三阶段，PS促进烃类裂解，ZSM-5通过酸性位点催化脱氧和芳构化反应优化产物分布。该工艺为混合废弃物转化为高质生物油提供了可持续路径。

　　该研究聚焦于一种创新的废物利用方式，即通过催化共热解技术将椰子壳（CNS）与聚苯乙烯（PS）相结合，以提高热解产物的质量和能源价值。随着全球对低碳未来的需求日益增长，寻找可持续的替代能源和减少对化石燃料的依赖成为当务之急。该研究不仅关注如何有效利用生物质和塑料废弃物，还探讨了如何通过催化剂的引入，优化热解过程，从而提升燃料的品质，同时减少对环境的负面影响。

研究中提到的椰子壳具有较高的挥发性成分（75.51%）和能量密度（18.32 MJ kg?1），而聚苯乙烯则几乎完全由挥发性物质（99%）组成，其能量密度更高（40.52 MJ kg?1）。这种特性差异使得两者的热解行为不同，椰子壳的热解产物更偏向于酸类、酚类和羟基化合物，而聚苯乙烯则以生成丰富的碳氢化合物为主。通过将这两种材料以不同的比例混合，并在不同的温度条件下进行共热解，研究人员发现，当聚苯乙烯含量为30%时，在650°C的条件下，碳氢化合物的产率可达64%，这表明两者之间存在显著的协同效应。这种协同作用不仅提高了燃料的产率，还改善了其组成和质量，使其更接近理想燃料的标准。

引入ZSM-5催化剂对提升碳氢化合物的产率和减少酸性、酚类物质的生成起到了关键作用。在650°C条件下，仅添加10%的ZSM-5催化剂即可使碳氢化合物的产率提高至33%，同时显著降低酸性和酚类化合物的含量。这种效果归因于ZSM-5的强酸性和结构选择性，它能够促进大分子的裂解和脱氧反应，从而减少生成的含氧化合物。此外，ZSM-5的热稳定性也使得催化剂在高温下不易失活，进一步提升了热解效率。

研究还通过热重分析（TGA）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对热解过程中的不同阶段进行了深入分析。TGA结果显示，椰子壳的热解分为三个阶段：干燥阶段（30–150°C）、活性热解阶段（150–550°C）和被动热解阶段（>550°C）。聚苯乙烯的热解则主要集中在300–500°C范围内，其分解过程较为单一。FTIR分析则揭示了热解产物中不同官能团的存在，如羟基、羰基和芳香族结构，这些结果与热解产物的组成高度一致，进一步验证了热解过程的化学机理。

通过Py-GC-MS技术对热解产物进行分析，研究人员获得了详细的化合物分布数据。在不同的热解温度和催化剂负载条件下，热解产物的组成发生了显著变化。例如，在450°C条件下，椰子壳的热解产物以酸类为主，而随着温度升高至650°C，碳氢化合物的占比大幅增加。加入聚苯乙烯后，酸类和酚类的产率有所下降，而碳氢化合物的产率则显著上升，表明聚苯乙烯的加入有助于提高燃料的品质。在引入ZSM-5催化剂后，这种趋势更加明显，碳氢化合物的产率进一步提高，同时酸类和酚类的含量大幅减少，表明催化剂在优化产物组成方面具有重要作用。

此外，研究还分析了不同比例的混合材料对热解产物的影响。当聚苯乙烯含量较低时，热解产物中酸类的占比较高，而随着聚苯乙烯比例的增加，碳氢化合物的占比逐渐上升，这可能与聚苯乙烯中芳香族结构的分解有关。然而，当聚苯乙烯比例过高时，虽然碳氢化合物的产率继续上升，但酚类的含量却有所波动，这表明混合比例对产物的分布具有重要影响。研究进一步指出，催化剂的加入能够有效促进脱氧反应，从而减少酸性物质的生成，提高燃料的稳定性。

该研究的成果对于解决生物质燃烧和塑料废弃物处理带来的环境问题具有重要意义。通过将生物质与塑料废弃物结合，并在催化剂的作用下进行热解，不仅能够提高能源回收率，还能减少有害物质的排放，如苯并芘等多环芳烃。同时，这种方法还能够减少对化石燃料的依赖，为实现可持续能源生产提供了一种新的途径。ZSM-5催化剂的使用进一步证明了其在提升热解产物质量和减少催化剂结焦方面的优势，为未来的工业化应用提供了理论支持和实验依据。

研究结果表明，热解温度和催化剂负载是影响产物组成和产率的关键因素。在650°C的条件下，结合30%的聚苯乙烯和10%的ZSM-5催化剂，能够实现最佳的热解效果，即碳氢化合物的产率最高，同时酸类和酚类的含量最低。这表明，在实际应用中，需要合理控制这些参数，以达到最佳的产物分布和能源回收效率。此外，研究还发现，聚苯乙烯的加入不仅能够提升碳氢化合物的产率，还能够改善热解产物的热稳定性，使其更适合作为燃料使用。

从经济和环境角度来看，这种共热解技术具有较高的可行性。一方面，它能够有效利用现有的生物质和塑料废弃物资源，减少对环境的污染；另一方面，它能够通过催化剂的引入，提高能源回收率，降低处理成本。这种技术的推广和应用，不仅有助于解决废物处理问题，还能为可再生能源的开发提供新的思路。尤其是在当前全球能源需求不断增长、化石燃料资源逐渐枯竭的背景下，这种技术的应用前景十分广阔。

此外，研究还对热解过程中的不同反应阶段进行了分析。在初始阶段，水分和轻质挥发物被去除；在活性热解阶段，大分子化合物分解为小分子化合物，这一阶段是生成生物油和气体的关键；而在被动热解阶段，主要生成固态产物（如生物炭）。这些阶段的划分有助于理解热解过程的复杂性，并为优化热解条件提供依据。通过合理调控温度和催化剂的使用，可以实现不同阶段的产物最大化，从而提高整体的热解效率。

综上所述，这项研究通过实验和分析，揭示了催化共热解技术在提升生物质和塑料废弃物热解产物质量方面的潜力。通过合理选择热解温度、催化剂种类和混合比例，可以有效提高碳氢化合物的产率，同时减少酸性、酚类等有害物质的生成。这种技术不仅有助于解决废物处理问题，还为可再生能源的开发提供了新的方向。未来，随着技术的进一步优化和推广，催化共热解有望成为一种高效、环保的废物资源化利用方法，为实现可持续发展贡献力量。